聲學多普勒流速剖面儀應用淺析

呂文婷

(吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化 134000)

聲學多普勒流速剖面儀應用淺析

呂文婷

(吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化 134000)

對聲學多普勒流速剖面儀在實際應用中進行了分析。通過在白山水庫采用走航式及定點測流(垂向代表線法)兩種方式，對白山水庫測流斷面進行了流量測驗、流速分布及流向測量。聲學多普勒流速剖面儀既適用于自由水面又適用于封凍期測量，最后對聲學多普勒流速剖面儀進行了討論。

聲學多普勒流速剖面儀;流量測驗;淺析

1 概述

靖宇核電水文站位于白山市靖宇縣崗頂村南側頭道松花江白山水庫左岸的臺地上，地理坐標東經127°05'，北緯42°04'。在該站斷面上采用250 KHz的聲學多普勒流速剖面儀(ADP，下同)對核電水文站測流斷面進行了流量測驗及流速分布測量，分別采用了走航式及定點測流(垂向代表線法)兩種方式。

測船采用鐵殼船，為了去除鐵殼船對儀器羅盤的干擾，儀器通過支架伸出船舷1.0 m左右。

聲學多普勒流速剖面儀技術指標如下:

頻率 最大剖面 最小盲區 可選系統(KHz)深度(m)距離(m)250 180 1.5標準系統500 100 1.0 標準系統1 000 40 0.5 標準系統1 500 25 0.4 標準、小型與河貓3 000 6 0.2 標準、小型與河貓

● 測量范圍:±10 m/s

● 分辨率:0.1 cm/s

● 準確度:所測流速的 ±1%，±0.5 cm/s

測驗執行相關規范:《聲學多普勒流量測驗規范》(SL337－2006)

2 走航測量

為了獲取斷面的形狀，采用了走航式進行斷面測量。

走航測量歷時40 min，船速平均約0.35 m/s。測時直線距離為814.35 m，加上兩岸估計距離，總河寬近900 m，與采用全站儀得到的892 m相符。測量過程中，與測深儀進行了對比實驗，在80 m以內，ADP得到的水深和測深儀得到的水深幾乎一致，而水深超過80 m時，測深儀無測量數據作為比較。只要測船的航行軌跡與測流斷面重合并沒有彎曲的情況下，采用走航式的方法對河道斷面形狀的測量，是可取的。

根據ADP的實測成果繪制的靖宇核電白山水文站大斷面示意圖，見圖1。

圖1 大斷面示意圖

與聲學多普勒流速剖面儀相適應的ViewADP軟件具有比較強大的數據分析能力，也就是說，在正確獲取的走航測量的原始數據基礎上，ViewADP軟件可以對整個斷面的流場、流向、水平層流速、垂線流速分布給出直觀的反映。

3 定點測流(垂向代表線法)

定點測流的原理如下，其與傳統的多線法相同，不同的是使用聲學多普勒流速剖面儀(ADP)能測得整個垂線的流速分布和流向。需要指出的是ViewADP軟件對定點測流(垂向代表線法)特別對低流速測量、冰期測量、有底沙運動情況以及洪水期測量非常適用。

不可否認，在流速很小，風速很大，而水深限制了拋錨作業時，定點測流也有一定的困難。

(1)測驗根據斷面形狀，測量首先選擇了15條，此后選擇了9條垂向代表線，基本控制了斷面的轉折點。

(2)采用測流歷時300 s。

(3)定點測流共施測了兩次，從兩次測流的結果來看，第一次測量的水面寬為900 m，斷面面積為46 400 m2，流量為626 m3/s，斷面平均流速為1.35 cm/s。第二次測量的水面寬為892 m，斷面面積為46 730 m2，流量為633 m3/s，斷面平均流速為1.35 cm/s。兩次測量的誤差較小。走航測流中得到的斷面面積為45 567 m2。

(4)應當指出:對于大范圍的靜止水體，流速往往存在紊動現象，而且這種紊動往往是大空間尺度和時間尺度的。這次測流的結果也印證了這一現象。如此的水深和低流速，難免會造成非常大的紊流和流速的不確定度。解決的辦法是適當加長測量時間(我們采用了300 s)，或者拋錨，但是由于現場條件所限，測量不具備過多加長測驗時間的條件(主要是船在風力影響下的漂移)。

(5)定點測流成果如計算機界面所直觀顯示，見圖2、圖3。

圖2 流速－流向－深度分布圖

(6)采用垂向代表線法測量，從測流結果來看，斷面流速分布存在一定規律性，局部區域會出現逆流，個別區域流速會較大，這與大面積靜止水體的流速分布及變化規律相符。

4 結論

(1)從多次測量的結果分析出，走航方式獲得的斷面形狀與實際基本相符。但在流速測量、流量測量以及流場分布的測量上，其測量誤差難以滿足測量要求。

圖3 流量－深度－面積分布圖

(2)由于該斷面水體面積很大，而流速很小，屬于相對靜止的水體。這類水體的紊動特性比較強，很容易受溫度、風、來水等的干擾而發生流速變化，而且紊動時的空間尺度和時間尺度都比較大，上下層、左右岸的流速甚至相反，因此定點測流是獲取高質量數據的保證。

(3)對于靖宇核電水文站斷面的測驗來說，采用最佳的聲學多普勒流速剖面儀的頻率為500 KHz比較適宜，儀器采用定點測流的方式;儀器最大深度滿足白山水庫庫區實況，又包含了漲落變化，測量方法既適用于自由水面又適用于封凍期測量。

(4)在測驗中，水面下大約25 m處聲波信號有明顯變化，原因是藻類或者異重流、或者溫度躍層，這需要借助水質儀器確定和核實。

P641.71

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1004－1184(2011)06－0158－02

2011－09－27

呂文婷(1969－)，女，吉林通化人，助理工程師，主要從事水文與水資源管理工作。